Συστήματα Μετρήσεων και Αισθητήρες

ΜΑΘΗΣΙΑΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο/η φοιτητής/ήτρια θα είναι σε θέση να:

• επιλέξει τα κατάλληλα κυκλώματα προσαρμογής, με σκοπό τη μέτρηση φυσικών και άλλων μεγεθών μέσω αισθητήρων,
• επιλέξει τα κατάλληλα κυκλώματα A/D, με σκοπό την ανάγνωση των μετρήσεων αισθητήρων από αντίστοιχα ψηφιακά συστήματα ανάγνωσης και καταχώρησης δεδομένων,
• να εντοπίσει πιθανές παρεμβολές σε περιβάλλον μετρήσεων και να προτείνει τεχνικές περιορισμού τους,
• αξιολογήσει τύπους αισθητήρων εξετάζοντας την αρχή λειτουργίας τους, τα κυκλώματα προσαρμογής, τα χαρακτηριστικά ακριβείας τους, τα δυναμικά χαρακτηριστικά τους, τα πεδία εφαρμογών τους, καθώς και τις τεχνικές διακρίβωσής τους,
• αναλύσει τα κυκλώματα προσαρμογής, τη μέθοδο διακρίβωσης και βαθμονόμησης, καθώς και τις εφαρμογές των αισθητήρων βασικών φυσικών μεγεθών (θερμοκρασίας, μετατόπισης, δύναμης κλπ)
• χρησιμοποιεί συστήματα συλλογής δεδομένων μετρήσεων και να αναπτύσσει αντίστοιχες εφαρμογές σε περιβάλλον κλασσικού, αλλά και γραφικού προγραμματισμού.

 

Γενικές Ικανότητες

• Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών
• Αυτόνομη Εργασία
• Ομαδική Εργασία

 

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ
Το θεωρητικό μέρος του μαθήματος αναπτύσσεται σε τρεις διδακτικές ενότητες οι οποίες καλύπτουν:

1. τα απαραίτητα κυκλώματα και τις τεχνικές απομόνωσης των παρεμβολών και του θορύβου στα μετρητικά συστήματα αισθητήρων καθώς και τα απαραίτητα ψηφιακά κυκλώματα ανάγνωσής τους
2. την αρχή λειτουργίας, τα χαρακτηριστικά και τα κυκλώματα προσαρμογής για τις βασικές κατηγορίες αισθητήρων μη ηλεκτρικών μεγεθών και γ) τη χρήση γραφικού προγραμματισμού για την δημιουργία εικονικών οργάνων στον Η/Υ, με δυνατότητα ανάγνωσης αισθητήρων και οργάνων, ενώ στην ίδια ενότητα εξετάζονται οι μετρήσεις σε υψηλές συχνότητες μέσω αναλυτών φάσματος και δικτύων. Η πρώτη ενότητα πραγματοποιείται σε 3 τρίωρες διαλέξεις (3 εβδομάδες)

1. Γενικά περί αισθητήρων, ορισμός και εφαρμογές – Οι κλίμακες των μεγεθών και ο μικροαισθητήρας – Εισαγωγικά στα Μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS) – Κατηγοριοποίηση αισθητήρων – Φυσική της μικροκλίμακας – Διαδικασία ανάπτυξης ενός μικροαισθητήρα (Προδιαγραφές, Αρχή λειτουργίας και τεχνολογία κατασκευής, Προσομοίωση και σχεδιασμός, Κατασκευή, Μέτρηση, ASIC) Χαρακτηριστικά μετρητικών συστημάτων – Αισθητήρες και μετατροπείς – Ο ρόλος και η σημασία του αισθητήρα σε συστήματα μέτρησης και ελέγχου – Χαρακτηριστικά αισθητήρων (Συνάρτηση μεταφοράς, Εύρος εισόδου, Εύρος εξόδου, Ακρίβεια, Βαθμονόμηση, Υστέρηση, Μη Γραμμικότητα, Διακριτική ικανότητα, Επαναληψιμότητα, Σύνθετη αντίσταση εξόδου, Διέγερση, Αξιοπιστία, Ελάχιστο σήμα κατωφλίου, Θόρυβος, Ολίσθηση, Χρόνος απόκρισης, Χρόνος προθέρμανσης, Δυναμικά Χαρακτηριστικά)
2. Πηγές θορύβου και παρεμβολών σε μετρητικά συστήματα αισθητήρων – χωρητική και επαγωγική σύζευξη – μέθοδοι περιορισμού τους. Διαφορικοί ενισχυτές – Κυκλώματα απομόνωσης – Μετατροπείς 4-20mA Αναλογικά ηλεκτρονικά όργανα – βολτόμετρα – μικροαμπερόμετρα Μέτρηση χωρητικότητας, αυτεπαγωγής και διαφοράς φάσης.
3. Ψηφιακά όργανα και μετρήσεις: Ψηφιακή μέτρηση συχνότητας – Μέτρηση χωρητικότητας μέσω μετατροπής σε συχνότητα (C to f) _ Μέτρηση τάσης μέσω μετατροπής σε συχνότητα (V to f) Αναλογικο-ψηφιακοί μετατροπείς: Διπλής κλίσης – κλιμακωτής προσέγγισης – διαδοχικών προσεγγίσεων – flash και Σ-Δ
   Η δεύτερη ενότητα πραγματοποιείται σε 8 τρίωρες διαλέξεις (8 εβδομάδες)
4. Μετρήσεις μη ηλεκτρικών μεγεθών – αισθητήρες: Αρχή λειτουργίας – Κυκλώματα προσαρμογής – Στατικά και δυναμικά χαρακτηριστικά. Μέτρηση θερμοκρασίας: Θερμοζεύγη – φαινόμενο Seebeck και Peltier – αντιστάθμιση θερμοκρασίας αναφοράς – κυκλώματα προσαρμογής – χαρακτηριστικά.
5. Μέτρηση θερμοκρασίας: RTD – στοιχεία PT100 και PT1000 – κυκλώματα προσαρμογής – χρήση τριών ακροδεκτών – χαρακτηριστικά. Μέτρηση θερμοκρασίας: Τhermistors ptc και ntc, γραμμικοποίηση, εφαρμογές – IC Ημιαγωγικών Ενώσεων – IR.
6. Μέτρηση μηχανικής καταπόνησης μέσω strain gauges – μέτρηση δύναμης και ροπής κάμψης Μέτρηση βάρους μέσω προβόλου – αντιστάθμιση θερμοκρασίας και αύξησης ευαισθησίας – load cells.
7. Μέτρηση θέσης: Ωμικοί, χωρητικοί και επαγωγικοί αισθητήρες θέσης, LVDT – συνδεσμολογία μετασχηματιστή – γραμμική περιοχή – ευαισθησία. Μέτρηση θέσης : Κυκλώματα προσαρμογής LVDT – σημείο αναφοράς – χαρακτηριστικά και εφαρμογές.
8. Φαινόμενο και πλακίδιο Hall – μέτρηση μαγνητικής επαγωγής – μέτρηση ρεύματος. Μέτρηση ηλεκτρικής ενέργειας και ισχύος – μέτρηση ταχύτητας περιστροφής και εγγύτητας μέσω πλακιδίου Hall .
9. Αισθητήρια μέτρησης σχετικής υγρασίας ωμικού τύπου – αρχή λειτουργίας μέσω υγροσκοπικών υλικών – κύκλωμα προσαρμογής και γραμμικοποίησης – εφαρμογές. Αισθητήρια μέτρησης σχετικής υγρασίας χωρητικού τύπου – διαφορικά κυκλώματα προσαρμογής – χαρακτηριστικά και εφαρμογές.
10. Πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες επιτάχυνσης – πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι – απόκριση συχνότητας και περιοχή λειτουργίας –φόρτωση καλωδίων και ενισχυτικών βαθμίδων. Βασικές αρχές σχεδίασης και λειτουργίας μικροαισθητήρων πίεσης και επιτάχυνσης – κυκλώματα προσαρμογής.
11. Ειδικές κατηγορίες αισθητήρων – αισθητήρες ροής – χημικοί αισθητήρες – βιοαισθητήρες. Βασικές αρχές οπτικών αισθητήρων και οι εφαρμογές τους σε κωδικοποιητές συστημάτων αυτομάτου ελέγχου και συστημάτων ασφαλείας. Αισθητήρια οπτικών ινών – μέτρηση μηχανικών μεγεθών, θερμοκρασίας και συγκέντρωσης αερίων μέσω αισθητήρων FBG και LPFG.
    Η τρίτη ενότητα πραγματοποιείται σε 2 τρίωρες διαλέξεις (2 εβδομάδες)
12. Συστήματα συλλογής δεδομένων αισθητήρων και δημιουργία εικονικών οργάνων στον Η/Υ. Χρήση γραφικού προγραμματισμού για την υλοποίηση εικονικών οργάνων – σύνδεση Η/Υ με όργανα μέτρησης.
13. Όργανα μέτρησης σε υψηλές συχνότητες: Γεννήτριες Συχνοτήτων – Φασματικός Αναλυτής Εφαρμογές του Διανυσματικού Αναλυτή Δικτύων στη μέτρηση συστημάτων και κυκλωμάτων υψηλών συχνοτήτων.

 

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ

Το εργαστηριακό μέρος του μαθήματος αναπτύσσεται σε 6 ασκήσεις δίωρης διάρκειας ως ακολούθως:

1. Κυκλώματα προσαρμογής και βαθμονόμηση αισθητήρων θερμοκρασίας θερμοζεύγους και RTD
2. Κυκλώματα προσαρμογής και βαθμονόμηση αισθητήρων δύναμης με strain gauge
3. Κύκλωμα προσαρμογής και βαθμονόμηση αισθητήρα θέσης LVDT. Κύκλωμα προσαρμογής και μέτρηση ταχύτητας περιστροφής μέσω αισθητήρα Hall
4. Εισαγωγή στην συλλογή και επεξεργασία δεομένων μέσω εφαρμογών γραφικού προγραμματισμού.
5. Δημιουργία εικονικού οργάνου μέσω γραφικού προγραμματισμού
6. Επικοινωνία Η/Υ με όργανα μέτρησης και συλλογή δεδομένων μετρήσεων

 

ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΟΙΤΗΤΩΝ

Ι. Γραπτή τελική εξέταση επί του θεωρητικού μέρους του μαθήματος (80%) που περιλαμβάνει:
– Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής
– Ερωτήσεις με σκοπό την ανάπτυξη θεωρητικών ζητημάτων
– Επίλυση αριθμητικών προβλημάτων επί δεδομένων κυκλωμάτων τα οποία αφορούν μετρητικές διατάξεις
ΙΙ. Αξιολόγηση επί του εργαστηριακού μέρους του μαθήματος (20%) ως εξής:
– Γραπτή εξέταση στις εργαστηριακές ασκήσεις
– Αξιολόγηση ατομικών εργασιών
– Προφορική αξιολόγηση κατά τη διάρκεια των εργαστηριακών ασκήσεων

 

ΣΥΝΙΣΤΩΜΕΝΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1. ΣΤΑΘΟΠΟΥΛΟΣ Ν., Μετρήσεις – Ηλεκτρονικά Συστήματα Μετρήσεων και Αισθητήρια, Εκδ. Αράκυνθος, 2017.
2. ΚΑΛΑΪΤΖΑΚΗΣ Κ., ΚΟΥΤΡΟΥΛΗΣ Ε., Ηλεκτρικές Μετρήσεις και Αισθητήρες, Εκδ. Κλειδάριθμος, 2010.
3. LANG, T.T., Ηλεκτρονικά συστήματα μετρήσεων, (μεταφρασμένο), Εκδ. Τζιόλα, Αθήνα, 1992.
4. ΠΕΤΡΙΔΗΣ, Β., Συστήματα μετρήσεων, Εκδ. Univ. Studio Press, 1992.
5. ΘΕΟΔΩΡΟΥ, Ν., Ηλεκτρονικές Μετρήσεις, Εκδ. Συμμετρία, Αθήνα 1997.
6. ΓΑΣΤΕΡΑΤΟΣ, Α., ΜΟΥΡΟΥΤΣΟΣ, Σ., ΑΝΔΡΕΑΔΗΣ, Ι., Τεχνολογία μετρήσεων και αισθητήρων, εκδ. Τσότρας, 2013
7. ΚΑΛΟΒΡΕΚΤΗΣ Κ., ΚΑΤΕΒΑΣ Ν., Αισθητήρες Μέτρησης και Ελέγχου, εκδ. Τζιόλα, 2013
8. GARDNER, J.W., Μικροαισθητήρες – αρχές και εφαρμογές, (μεταφρασμένο), Εκδ. Τζιόλα, Αθήνα 1994.
9. PALLΑS-ARENY, R. and WEBSTER, J.G. Sensors and signal conditioning, WILEY, 2001.
10. FRADEN, J. Handbook of modern sensors, AIP, 1996.
11. KULARATNA, N., Modern electronic test and measuring instruments, IEE series, 1996.
12. BENTLEY, J.P., Measurement systems, Longman, 1996.